"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Металлы — химические элементы, атомы которых обычно сравнительно легко отдают внешние электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. В твёрдом состоянии их частицы образуют кристаллическую решётку, где положительный заряд удерживают общие подвижные электроны. Такое строение объясняет электропроводность, теплопроводность и пластичность металлов. А ряд активности помогает сравнивать их способность вступать в реакции и вытеснять другие металлы из растворов солей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металл как химический элемент — элемент, атомы которого обычно сравнительно легко отдают электроны и образуют положительные ионы. В периодической системе большинство металлов расположено слева и в центре, а их атомы чаще имеют небольшое число электронов на внешнем уровне. Это определение помогает связать положение элемента с типичными химическими свойствами, не считая строение всех металлов одинаковым.
Металлическая связь — притяжение положительно заряженных частиц в узлах решётки к обобществлённым электронам, которые могут перемещаться по кристаллу. Электроны не закреплены за отдельной парой атомов, поэтому связь охватывает весь образец. Понятие нужно, чтобы объяснять общие свойства металлических веществ.
Металлическая кристаллическая решётка — упорядоченное расположение положительно заряженных частиц, между которыми находятся подвижные обобществлённые электроны. Такое устройство отличает твёрдые металлы от веществ с отдельными молекулами. Оно помогает понять, почему металл проводит ток и тепло и может менять форму без немедленного разрушения.
Ряд активности металлов — последовательность металлов, упорядоченных по сравнительной способности отдавать электроны и вступать в реакции. Чем выше металл в ряду, тем активнее он обычно реагирует и тем легче вытесняет расположенный ниже металл из раствора его соли. Ряд нужен для предварительного прогноза реакций, но учитывать приходится и условия их протекания.
У большинства атомов металлов на внешнем энергетическом уровне находится немного электронов. Отдать их часто энергетически выгоднее, чем присоединить много электронов для заполнения этого уровня, поэтому при взаимодействии атом превращается в положительно заряженный катион. Так возникают характерные для металлов реакции с образованием положительных ионов, хотя у переходных элементов возможны более сложные варианты.
В металлическом кристалле электроны, отданные атомами, становятся общими для множества частиц и могут перемещаться между ними. Остающиеся положительно заряженные частицы удерживаются притяжением к этому электронному облаку. В отличие от ионной связи здесь нет обязательного чередования катионов и анионов, а в отличие от ковалентной связи электроны не образуют закреплённые пары между конкретными атомами.
Частицы в кристалле расположены упорядоченно, а обобществлённые электроны подвижны. Если приложить электрическое поле, часть электронов начинает направленно двигаться и переносит заряд — так возникает электрический ток. Электроны также быстро передают энергию между участками вещества, поэтому металлы обычно хорошо проводят тепло.
При механическом воздействии слои частиц решётки могут сдвигаться относительно друг друга. В веществе с направленными связями такое смещение часто нарушает связи и приводит к разрушению, а в металле подвижные электроны продолжают притягивать положительные частицы. Поэтому связь сохраняется и металл способен деформироваться; это свойство называют пластичностью.
Химическая активность связана со строением атома: чем легче металл отдаёт электроны в данных условиях, тем охотнее он образует катионы и вступает в реакции. Ряд активности располагает металлы по этой способности, поэтому он позволяет сравнить их без простого подсчёта внешних электронов. Например, натрий в ряду стоит выше магния, а магний выше алюминия; число внешних электронов само по себе не даёт верного порядка активности.
| Характеристика | Описание | Связь со строением |
|---|---|---|
| Строение внешнего электронного уровня | У многих металлов на внешнем уровне сравнительно мало электронов | Такие электроны часто легче отдать, чем присоединить недостающие до заполнения уровня |
| Образование катионов | Атом металла теряет электроны и получает положительный заряд | Число протонов становится больше числа оставшихся электронов |
| Тип химической связи | Металлическая связь между частицами решётки и общими электронами | Подвижные электроны притягивают положительно заряженные частицы |
| Строение кристаллической решётки | Частицы упорядочены, а общие электроны распределены по кристаллу | Притяжение сохраняет целостность металлического кристалла |
| Электропроводность и теплопроводность | Металлы проводят электрический ток и тепло | Подвижные электроны переносят заряд и энергию |
| Пластичность | Металл можно сгибать, ковать или вытягивать в проволоку | Слои частиц смещаются, а металлическая связь сохраняется |
| Способность вступать в реакции | Металлы различаются по химической активности | Она связана со способностью атомов отдавать электроны и сравнивается рядом активности |
Используйте таблицу, чтобы проследить цепочку от строения атома к свойствам металла. Например, подвижные электроны объясняют проводимость, а сохранение притяжения при смещении слоёв — пластичность. Для прогноза химических реакций отдельно сверяйтесь с рядом активности.
Нужно определить число электронов на внешнем уровне, типичный заряд иона и объяснить, почему элемент является металлом. Порядковый номер показывает заряд ядра, а в нейтральном атоме также равен числу электронов. Затем распределим электроны по уровням и посмотрим, сколько находится на внешнем.
Ответ: два внешних электрона, типичный заряд иона +2; элемент — магний, металл.
Требуется расположить металлы по возрастанию способности отдавать электроны. Нельзя просто посчитать электроны на внешнем уровне: активность зависит от того, насколько легко атом теряет электроны, и сравнивается по ряду активности. Сначала найдём положение каждого элемента в этом ряду.
Ответ: Al < Mg < Na. Это сравнение не означает, что на внешнем уровне у натрия больше электронов: у него их меньше, но отдаёт он их легче.
Нужно предсказать, что произойдёт при погружении каждого металла в раствор сульфата меди. По ряду активности натрий стоит выше меди, поэтому простое применение правила вытеснения могло бы подсказать, что медь будет вытеснена. Но раствор водный, а натрий прежде всего реагирует с водой, поэтому этот случай нельзя трактовать как обычное замещение меди.
Ответ: натрий реагирует с водой, а затем возможна реакция щёлочи с CuSO₄; медь с раствором своей соли не реагирует.
Ошибка: считать, что у каждого атома металла строго один или два внешних электрона. Так думают, перенося свойства нескольких знакомых элементов на все металлы, но у разных элементов строение различается, особенно у переходных. Проверяйте электронную конфигурацию конкретного атома, а не используйте одно правило для всех.
Ошибка: представлять металлическую связь как связь между отдельными парами атомов. Такое объяснение легко спутать с ковалентной связью, однако металлические электроны обобществлены во всём кристалле. Проверьте себя вопросом: закреплена ли электронная пара только между двумя атомами? Для металлической связи ответ — нет.
Ошибка: объяснять пластичность разрушением решётки при небольшом смещении. Если слои сразу теряют связь, металл не смог бы менять форму без разлома; подвижные электроны сохраняют притяжение между частицами. Представьте смещение слоёв и проверьте, остаются ли они связанными общими электронами.
Ошибка: полагать, что любой металл вытесняет любой другой из раствора соли. Это неверно: результат зависит от положения металлов в ряду активности и условий, а активные металлы могут реагировать с водой. Перед записью уравнения сравните металлы в ряду и выясните, водный ли это раствор.
Для понимания темы понадобятся знания о строении атома, электронных оболочках, периодической системе и образовании положительных ионов. Связь между решёткой и свойствами помогает изучать физические свойства веществ, химическую связь и строение кристаллов. Ряд активности пригодится при разборе реакций металлов с водой, кислотами и растворами солей. Он позволяет прогнозировать направление реакции, но не заменяет учёт конкретных условий.
Почему металлы обычно отдают электроны?
У многих металлов на внешнем энергетическом уровне сравнительно мало электронов, и отдать их проще, чем присоединить недостающие до заполнения уровня. При потере электронов атом становится положительно заряженным катионом. Это общее правило, хотя строение атомов переходных металлов сложнее.
Чем металлическая связь отличается от ионной?
Металлическая связь возникает между положительно заряженными частицами в решётке и общими подвижными электронами. Ионная связь — это притяжение катионов и анионов, образовавшихся после передачи электронов. В металлическом кристалле электроны не принадлежат одной определённой паре частиц.
Почему металлы проводят электрический ток?
В металлах есть обобществлённые электроны, способные перемещаться по кристаллу. В электрическом поле они направленно движутся и переносят заряд. Та же подвижность электронов помогает быстро передавать тепло.
Почему металл можно согнуть, не разрушив его?
При деформации слои частиц металлической решётки могут смещаться относительно друг друга. Подвижные электроны продолжают притягивать положительные частицы, поэтому связь между ними сохраняется. По этой причине многие металлы пластичны.
Как по ряду активности определить, вытеснит ли один металл другой из раствора соли?
Сравните металлы в ряду активности: более активный металл обычно вытесняет менее активный из раствора его соли. Если он расположен ниже, вытеснения не происходит. Нужно также учитывать условия реакции и то, что некоторые металлы, например натрий, прежде всего реагируют с водой.
Металлы — химические элементы
